第9章微动磨损.ppt

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1、第九章 微动磨损（Fretting Corrosion）,一、概述,1.微动磨损定义70年代欧洲合作与发展组织（OECD）的定义：两个表面之间发生小振幅相对振动引起的磨损现象。微动损伤中化学或电化学反应占重要地位的则称为微动腐蚀（Fretting Corrosion）。微动磨损的部件，同时或在微动作用停止后，受到循环应力，出现疲劳强度降低或早期断裂的现象称为微动疲劳（Fretting Fatigue）。,2.微动磨损的发展历程,1911年，Eden、Rose和Cunningham首先观察到微动与疲劳的联系；1924年，Gillet和Mack发表了机器紧固件因微动导致疲劳寿命明显降低的报告；19

2、27年，Tomlinson认为腐蚀是次要因素并提出了一种微动机理；1941年，Warlow-Davies注意到微动可以加速疲劳破坏；1949年，Mindlin提出在一定条件下，微动区存在滑移区和非滑移区，计算分析了接触表面的应力分布；,1950年，第一届ASTM Symposium On Fretting Corrosion在美国的Philadelphia召开，并宣读五篇论文，会上由IMing Feng和Rightmire提出了一种微动理论；1951年，Uhlig在JApplMech发表了题为Mechanism Of Fretting Corrosion的论文；1969年，Nishioka、N

3、ishimura和Hirakawa提出了一种早期的微动疲劳模型；1970年，Hurrick在Wear发表The Mechanism Of Fretting的论文，认为微动分为三个过程；,1972年，Waterhouse发表了首部编著Fretting Corrosion，Hoeppner提出了微动疲劳极限的概念；1974年，Specialists Meeting On Fretting in Aircraft在德国Munich召开，发表论文16篇；1977年，Waterhouse将大位移滑动磨损的剥层（delamination）理论引入微动磨损的研究；1981年，Waterhouse编辑出版了由

4、10篇论文组成的Fretting Fatigue论文集；,1982年，第二届ASTM Symposium On Materials Evaluation under Fretting Conditions在美国Philadelphia召开，宣读论文近20篇；1985年，Wear编辑出版了在英国Nottingham召开的Fretting Wear Seminar会议专辑，发表了15篇论文；1988年，Wear期刊在Waterhouse退休之际，编辑出版了他的13篇论文专辑，在该专辑中，Berthier、Vincent和Godet提出Velocity Accommodation理论；,1990年，

5、Godet提出微动三体理论；1990年，第三届ASTM Symposium On Standarization Of Fretting Fatigue Tests Methods and Equipment在美国的Philadelphia召开，宣读论文20篇；1992年，Waterhouse发表了Fretting Wear综述论文；1992年，Zhou和Vincent提出二类微动图理论，成为揭示微动运行和损伤规律的重要理论；,1993年，在英国的Sheffield召开International Symposium On Fretting-Fatigue，宣读论文37篇；1996年，在英国的Ox

6、ford召开Euromech 346 On Fretting Fatigue会议，宣读论文18篇；1997年，在中国成都召开首届International Symposium On Fretting，宣读论文32篇；1998年，在美国Salt Lake City召开2nd International Symposium On Fretting Fatigue，发表学术论文近40篇；,2001年，在日本召开3rd International Symposium On Fretting Fatigue，并形成每3年一次的微动疲劳系列国际会议。,3.一些统计数据（1）国家和地区的分布 按照发表论文的

7、数量，主要有英国、法国、美国、日本、加拿大、瑞典、德国、中国、瑞士和比利时。这些国家发表的论文数占论文总数的90以上。,（2）研究机构及人员,约有300名研究人员作为第一作者或合作者在刊物和会议上发表微动摩擦学研究的论文，一半左右仅出现一次署名。发表微动摩擦学研究论文最多的有七个研究单位，主要集中在法国、英国、美国。,（3）研究领域分布 微动磨损和微动疲劳方面发表的论文数各占近一半，而有关微动腐蚀的论文相对较少。,（4）研究内容,基础研究 从简单的工业微动破坏现象的观察、单一实验参数的影响，走向破坏机理的实验分析、综合机械材料参数（如位移、压力、频率、往复次数、材料组织结构、力学性能等）的影响

8、。从平移微动模式的研究，走向其他微动模式（如径向、滚动、扭动、冲击等模式）和复合微动模式等的研究。,理论分析,理论分析不再局限于Hertz弹性接触理论，而借助计算机、弹塑性力学、断裂力学、有限元法、能量分析（包括热力学）等研究手段来模拟微动的运行和破坏过程。,新材料 过去的研究主要集中在金属材料，尤其是各种钢和铝合金，现在已有不少研究者开始致力于各种新材料的微动损伤规律的研究。,环境影响,微动的研究不再局限于普通工况，除在传统的高温、真空和腐蚀气氛等环境下进行研究之外，诸如流动空气、水蒸气介质、生物性腐蚀介质、超低温和强磁场等特殊环境下的微动破坏机理的研究也得到积极开展。,防护措施 研究领域已

9、从微动破坏机理研究走向机理与抗微动破坏研究并重的阶段，各种减缓技术如表面处理、润滑和结构设计改进等有很大的进展。,4.微动磨损的特征,工业应用 航空部门、核电站、高空电缆、钢丝绳索、大型轴、人工植入器官、电接触等工业领域的微动损伤已日益成为研究热点。,具有引起微动的振动源（机械力、电磁场、冷热循环等），流体运动所诱发的振动；磨痕具有方向一致的划痕、硬结斑和塑性变形以及微裂纹；磨屑易于聚团、含有大量类似锈蚀产物的氧化物。,二、微动磨损理论,一个较为完满的微动磨损理论应该能对下列实验现象作出合理的解释：,真空或惰性气氛中微动损伤较小；微动产生的磨屑主要由氧化物组成；循环数一定时，低频微动比高频损伤

10、大；材料流失量随负荷和振幅而增加；低于室温比高于室温的磨损严重；空气环境比湿空气中损伤大。,1.Uhlig模型,室温下铁的氧化为：,每一循环造成氧化层的重量损失为：,该理论建立在表面微凸体受到氧化和机械磨损的交替作用上。,每一循环金属的磨损量为：,总的微动磨损量：,第一项化学因素引起第二项机械因素引起,微动磨损量是：微动频率的双曲线函数负荷的抛物线函数循环次数和振幅呈线性关系,Uhlig根据钢的微动磨损实验得到经验公式为：,Uhlig的模型不足：忽略了氧化膜起到防止材料粘着的有利作用忽略了微动过程中磨屑参与磨损的作用 因此它不能解释实验中出现的许多现象，至少对微动磨损随循环次数的变化规律不能给

11、予完满的说明。,2.Feng和Rightmire模型,Feng和Rightmire在总结微动循环次数与材料失重关系后提出来的。,OA段：由于金属转移和初始磨损造成曲线迅速上升；AB段：从剪切到磨粒参与磨损使曲线第二次向上弯曲；BC段：磨粒作用下降，从而减缓材料损失；CD段：最后达到稳定磨损率。,可以将曲线分为四个阶段：,接触首先发生在微凸体上，少量磨屑落入谷内；,磨屑填满谷，使磨损变成磨粒磨损。许多微凸体合并成一个小平台；,磨屑进一步增加，并开始从接触区溢出进入邻近的洼谷区；,接触区压力再分布，中心压力增高，边缘压力降低，使中心的磨粒磨损加重，凹坑迅速加深。,模型很快为科学家们所接受：形象地说

12、明微动磨损中表面变粗糙的现象 确立了磨粒磨损是稳态阶段的特征不足：至今尚未达到令人满意的定量描述。,3.微动的三体理论,微动的三体理论认为磨屑的产生可看成是两个连续和同时发生的过程：,磨屑的形成过程接触表面粘着和塑性变形，并伴随强烈的加工硬化；加工硬化使材料脆化，白层同时形成，随着白层的破碎，颗粒剥落；颗粒被碾碎，并发生迁移，迁移过程取决于颗粒的尺寸、形状和机械参数（如振幅、频率、载荷等）。,磨屑的演化过程起初磨屑呈轻度氧化，仍为金属本色，粒度为微米量级（约1m）；在碾碎和迁移过程中进一步氧化，颜色变成灰褐色，粒度在亚微米量级（约0.1m）；磨屑深度氧化，呈红褐色，粒度进一步减小为纳米颗粒（约

13、10nm），射线衍射分析表明磨屑含-Fe、-Fe2O3（呈红色）和低百分比的Fe3O4。,利用三体理论可很好地解释钢铁材料微动摩擦系数随循环周次的变化过程：,接触表面膜去除，摩擦系数较低；,第一、二体之间相互作用增加，发生粘着，摩擦系数上升，并伴随材料组织结构变化；,磨屑剥落，第三体床形成，二体接触逐渐变成三体接触，因第三体的保护作用，粘着受抑制，摩擦系数降低；,磨屑连续不断地形成和排除，其成分和接触表面随时间改变，形成和排出的磨屑达到平衡，微动磨损进入稳定阶段。,3.微动磨损的发展过程,（1）粘着机制在微动磨损中的作用,普通滑动磨损中，金属表面的微凸体接触后形成冷焊点，受切向力作用发生断裂，

14、同时出现材料转移。这是单方向上一次作用下实现的。微动磨损中：,金属表面微凸体接触后形成冷焊点，微动往复式多次反复运动，使某些冷焊点发生断裂，同时出现材料转移，因此，磨损率低。,微动的早期，金属表面氧化膜破裂后，粘着倾向迅速增大。发生断裂并形成松散磨粒后，粘着倾向会逐渐减小，最后过渡到平稳阶段。粘着阶段持续的时间与材料及环境有关。同种金属在一起微动时易发生粘着，而且两表面的损伤程度相同。异种金属微动时，损伤主要出现在较软的金属表面上。,经过时效处理或加工硬化的材料与未经处理的材料，振幅对粘着系数的影响有相同的结果。,微动振幅对粘着系数影响的趋势大体相似，但是，随合金化程度的增加，粘着的机会明显减

15、小。,合金化不仅增加了材料的强度，更重要的是改变了金属表面氧化膜的性质。,（2）氧化作用,金属表面的氧化膜对防止冷焊十分有效，有利于防止粘着。,能在金属表面生成附着牢固，且在微动下能出现一层釉质氧化物层的材料，其磨损量和摩擦系数将随微动而明显下降。,氧化对微动磨损的影响：,贵金属或惰性气氛环境中合金间的微动磨损，氧不参与作用，以粘着及塑性变形机制为主；薄而附着不牢的氧化膜，在不到一次微动循环便被破坏，这时氧化与机械两种机制均对微动磨损有贡献；氧化较严重而且氧化膜易碎裂成片，氧化与机械两种机制的协同作用加速表面破坏；氧化层致密能起减摩作用，如钛合金、镍铬铝合金在高温下的微动磨损，氧化作用缓解了机

16、械摩擦导致的损伤。,（3）微动磨损的稳态阶段,稳态阶段是微动磨损的主要阶段，用它来评价材料的耐磨性是合理的。,1973年N.P.Suh提出磨损剥层理论后，才统一了认识：微动是相对运动速度较低的滑动，它符合剥层理论中提到的假设：磨屑呈片状离开母体材料表面，屑片的厚度为110m，长度为2050m；,稳态阶段哪种磨损机制占主导地位呢？,微动磨损观察到磨痕为平底浅坑；N.P.Suh认为在交变应力较低时，形成亚表面裂纹所需要的循环次数多，直到裂纹萌生并扩展至一定长度后才会产生磨屑；在考虑粘着、磨粒磨损机制的同时应该注意剥层理论的作用。但是，N.P.Suh的剥层理论未能说明裂纹是否首先在亚表层形成。,4.

17、微动疲劳,（1）微动疲劳的特征与诊断 微动疲劳是指因微动而萌生裂纹源，并在交变应力下裂纹扩展而导致疲劳断裂的破坏形式。,诊断：只要断口具有疲劳破坏特征，裂纹源发生于微动磨痕，裂纹扩展呈现阶段性即可确认为微动疲劳破坏。,特征一：疲劳断裂源必然出现在微动接触区或其影响区内。特征二：裂纹扩展的阶段性。,（2）微动疲劳曲线（交变应力与循环周次曲线）,只有达到一定的微动循环次数时才能导致疲劳强度的降低。低于此值时，微动的影响不明显。,而微动造成疲劳强度明显下降，并降低于一确定值后即使微动过程继续进行，疲劳强度也不再进步下降。,（3）微动疲劳裂纹的萌生与扩展,微动疲劳裂纹萌生和扩展大致经过几个阶段：出现裂

18、纹源；微裂纹萌生；微裂纹生长；宏观裂纹出现；宏观裂纹扩展。,从微观应力场分布可以看出：微动时，在接触中心部分因过高的法向压力导致摩擦力大于切向力（fpq）而处于静止状态；边缘地区由于 fpq而产生局部滑动，疲劳裂纹就在该处萌生。,微动摩擦力和疲劳应力的协同作用将导致裂纹的萌生和加速其扩展。,拐点是微动作用的终止点疲劳裂纹扩展的起始点,随后的疲劳裂纹只受交变应力的支配而扩展，其扩展速度降低。一般来说，当微动疲劳裂纹深入到表面1mm后，其扩展和断裂过程将完全按一般的疲劳规律进行。,三、影响微动磨损的因素,1.材料性能,金属材料摩擦的抗粘着磨损能力越大，抗微动磨损的能力也较强。,2.微滑动距离 微动

19、磨损量随滑动距离的增大而增大。3.载荷 在微滑动距离一定的条件下，微动磨损量随载荷的增加而增加，但超过某一极大值后又不断减小。,4.相对湿度 微动磨损量随相对湿度的增大而降低。如对钢铁而言，相对湿度大于50%时，表面生成Fe2O3H2O薄膜，他比通常的Fe2O3软，具有较低的磨损率。,5.振动频率与振幅 在大气中，振幅很小时（如0.012mm），钢的微动磨损量基本与振动频率无关，但在较大振幅时，随振动频率的增加，微动磨损量有减小的倾向。,6.温度,随温度的增高，微动磨损量增大。,四、影响微动疲劳的因素,1.法向压力,疲劳强度随着微动处承受的法向压力的增加而下降。当压力达到一定数值时，疲劳强度基本不变。,疲劳强度随振幅的增大而减小。当达到一临界值时，微动疲劳寿命达到最低值，此后随振幅继续增大寿命反而延长。,2.微动振幅,振幅的增加为表面创造更多的损伤和萌生裂纹的机会。当振幅较大时，受影响的面积增大，表面切应力会下降，一些刚萌生的浅裂纹有可能被磨掉，故材料疲劳强度又提高了。,环境气氛主要包括湿度及氧化。,3.环境气氛,氧化作用虽然可以减少微动面上的初期粘着，但对裂纹却有可能起加速扩展的作用。,湿度因材料而异，湿度增大会加速裂纹的萌生与扩展。耐蚀材料，微动疲劳几乎不受环境影响，而不耐蚀材料则主要决定于介质的作用。,